光伏发电系统中具有最大功率跟踪能力的直流变换器设计

ｌ　．鳗　应　…………………………一　光伏发电系统中具有最大功率跟踪能力的直流变换器设计　西安交通大学城市学院张永超徐微　【摘要】分析了光伏电池的特性及最大功率点跟踪原理，提出了一种在ＭＳＰ４３０单片机控制下，以Ｈ桥式电路为核心的ＭＰＰＴ思想。该系统通过ＭＳＰ４３０发出的两路占空比可　交，互补的　波，控制Ｈ桥式电路四个Ｍｏｓ管的通断时间，来改变光伏电池的输出电流，同时对当前电流和电压采样，待ＰＩ调节器将电流恒定，计算当前的电流和电压．利用　ＭＰＰＴ的电流扰动观察法，做到ＭＰ盯，并计算判断出最大功率点Ｍｐｐ，ｒ，从而实现光伏电池系统的输出功率最大。　【关键词】光伏电池；最大功率跟踪；Ｈ桥式电路；ＭＳＰ４３０；ＰＷＭ波　引言　Ｌ　光伏发电是可再生能源利用的重要技术　方式，是近几年发展最快的产业之一。但是　光伏发电存在两个主要问题：第一，光伏电　池的输出特性受外界环境影响大，当温度和　￡　光照，辐射强度变化时，其输出特性会发生　妒　一土　　弭　Ｊ：　．　ｌ　Ｉ　ｒ　ｂ　较大的变化；第二，光伏电池的转换效率低　而且价格昂贵，初期投入较大．因此，为提高　世　丰｛　ｌ　一｝豪　太阳能的利用率，通常在光伏电池和负载之　上ｊ　ｒ　Ｌ二　间串联最大功率跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ，肝ＰＴ）电路，简化了相关的硬件设　１　１；４｛　哼率　ｌｊｌ　ｒ　Ｌ二　Ｊ　计，且避免了功率等变量繁琐的控制算法，　１１　ｒ　从而实现最大功率输出。　１．设计方案及基本原理　ＡＤｃ　ＩＰ　、＾，Ｍ　０　　Ｊ　盘　｝光伏电池输出特性具有非线性特征，其　输出电压和功率受光照强度、环境温度和负　髂一载情况影响。在一定的光照强度和环境温度　１　一　下，光伏电池可以有不同的输出电压，但是　只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出　功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作　图１系统设计方案　点就达到了输出功率曲线的最高点，称之为　补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了　如果环境改变引起系统有扰动，重复上　最大功率点。光伏电池内阻受光照等影响而　避免直通短路且保证各个开关管动作的协同　一次的工作，将主电路中的电流值Ｉｒｅｆ，从Ｏ　改变，从而流出光伏电池的电流是个变量。　性和同步性，两组控制信号理论上要求互为　给定开始，逐步增加电流，在每一次给定的　系统在光伏电池输出端设计了采样电阻，由　倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时　电流恒定时，再次计算出最大功率点，实现　Ａ／Ｄ芯片采样其上的电流，再通过最大功率跟　间，因此，运用单片机产生两组具有死区时　最大功率点的跟踪。　踪控制器找出太阳能电池最大功率点。　间的互￣ｂＶＷＭ波来改变占空比，从而控制四个　该控制思想简单，控制易实现得到广泛　１．１系统设计方案　Ｍ０ｓ管的通断（见图１）。　的应用。　系统由四个模块组成，如图１系统设计　主电路输入侧并联一个大电容使得输入　３．评测和结论　方案所示。　侧电压脉动很小，大电容具有储能作用，既　测试原理是将蓄电池等效为一个电压源　（１）主电路　保护输入端电路又可以使电压很稳定。两个　和一个可变电阻，直流电网等效为一个电压　主电路实现了一个可控的电流恒定。由　３３２小电容可以消除输出波形的毛刺，使得输　源和一个固定电阻，根据理论分析可知如果　四ＩＲＦ５４０　ＭＯＳＦＥＴ管、两个电解电容四个二极　出波形稳定．然后经过Ｌｃ滤波进一步使得波形　蓄电池的输出电压是电压源额电动势等于的　管等组成的Ｈ桥电路　更加的稳定．　二分之一，此时，蓄电池输出功率最大。实　（２）电流、电压采样电路　２．系统软件设计　验结果如表１所示。　为了实现电流的恒流，对电流进行采　为了实现最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ），采用　裹１实验结果　样，在每一次给定的电流恒定时，采集负载　了电流扰动法观察法（Ｐｅｒｔｕｒｂ　ａｎｄ　Ｏｂｓｅｒｖｅ）　电动势　电池输　电池输　内阻　负载　负载电　两端的电压值。　主要分以下三步。　Ｅ（ｖ）　出电压　出电流　Ｒ（０）　电压　流（Ａ）　（Ｖ）　（Ａ）　（Ｖ）　（３）控制芯片　１）改变光伏电池的输出电流，间接改　ｉ０　５　１４　ｌ　３１　３　９２　６．６　０　４５　控制电流恒流并计算电流恒流下的功率　变光伏电池输出的。由ＭｓＰ４３Ｏ输出一个占空　ｌ１　５　３４　ｌ　５３　３．４９　７．１３　０　４８６　ｌ２　６　３７　１　５ｌ　４　２ｌ　７　９９　０　５４８　Ｐ，得出光伏电池最大的输出功率Ｐ。并将该　比可调的两路互补的ＰｗＭ波（带有死区时间　ｌ３　６　７５　１　６９　３　９９　８　６５２　０　５８９　功率输送到电网上。　１ｕｓ），通过调节占空比控制信号，控制Ｈ桥式　６　ｇ２　ｌ　９０　３　６４　９　１４　０　６２２　（４）驱动电路　．　电路四个ＭＯＳ管的通断时间，来改变光伏电池　由表１可知：　驱动电路对控制芯片给出的信号进行功　的输出电流。　ｉＥ一三【　０率放大，用来驱动主电路。　２）ＰＩ调节实现电流恒定。根据设定的电　４Ｖ　．２　Ｌ　２基本原理　流参考值Ｉｒｅｆ，和反馈的电流值Ｉ，得到误差通　所以该系统达到设计要求。能够实现最　主电路由四ＩＲＦ５４０￣ＯＳＦＥＴ管、两个电解　过△Ｉ，ＰＩ调节占空比，实现主电路中电流Ｉ的　大功率的跟踪。　电容四个二极管等组成的Ｈ桥电路，其目的是　恒定（即实现了恒流环）。　为了实现一个可控的电流恒流．　３）ＭＰＰＴ算法实现光伏电池保持最大功　参考文献　ＩＲＦ５４０　ＭＯＳＦＥＴ是压控元件，具有输入　率ＭＰＰ的输出，通过ＭＳＰ４３０调节ＰＷＭ波实现恒　【１］车孝轩著．太阳能光伏系统概论　武汉人学出版社２００６．　阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特　流，在恒流条件下对电压采样，就能够得到　［２］Ｊａｉｎ　Ｓ，Ａｇａ￣ｖａｌ　Ｖ．Ａ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｒａｐｉｄ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　点，满足高速开关动作需求，因此选用了　对应电流下的功率Ｐ，即实现了对功率Ｐ的控　ｏｆ　ａｐｐｒｏｐｍａｔｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｔ　ｐｏｉｎｔ　ｉｎ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ＩＲＦ５４０作为构成Ｈ桥电路的桥臂。Ｈ型全桥式　制。本系统通过一定的ＭＰＰＴ算法（采用的是电　ｓｙｓｔｅｍｓ［１］．ＩＥＥＥ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００４，２（１）：１６—１９．　驱动电路的４只开关管都工作在斩波状态。　流扰动观察法），即：通过ＰＩ控制器，控制主　［３］赵庚申，王庆章琦盛之．最大功率点跟踪原理及实现　Ｑ１、Ｑ４为一组，Ｑ２、Ｑ３为一组，这两组状态　电路中的电流值Ｉｒｅｆ，从０给定开始，逐步增　方法的研究Ⅱ］．太阳能学报，第２７卷第１０期２００６年１Ｏ月．　互补，当一组导通时，另一组必须关断。　加电流给定值（步进大小为０．０１Ａ），在每一次　［４］禹华军，潘俊艮光伏电池输出特性与最大功率跟踪　在本装置中，需要功率双向流动，也就是　给定的电流恒定时，采集负载两端的电　的仿真分析Ｕ】．计算机仿真，第２２卷第６期２００５年６月，　在Ｑ１、Ｑ４导通且Ｑ２、Ｑ３关断￣ｔＪＯｌ、Ｑ４关断且　压值，计算出此时的功率Ｐ（ｎ），与上次功率　［５王环，５］金新民．光伏并网逆变器最大功率点的跟踪控　Ｑ２、Ｑ３导通这两种状态间转换。因此要求两　Ｐ（Ｉｒ１），进行比较，若增大了，继续增大电流的　制Ⅱ］．电子产品世界，２ｏ０４，２．　组控制信号完全互补，但是由于实际的开　给定，若减小了，则上次给定的电流的位置，　【６］徐鹏威，刘飞，刘邦银，段善旭．几种光伏系统ＭＰＰＴ方　关器件都存在导通和关断时间，绝对的互　即为最大功率点（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ）。　法的分析比较及改进Ⅱ】．电力电子技术，２００７，５．　－２１８一唪｝子ｔ蟹重●